General, Research, Technology

Фізики зафіксували квантовий шум в лабораторії LIGO - що потрібно знати?

Дослідники з проекту LIGO продемонстрували,як надтонка настройка приладів дозволяє їм розсовувати кордону фундаментальних законів фізики. Лазерно-інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (LIGO) виявляє гравітаційні хвилі, що виникають в результаті катастрофічних подій у Всесвіті, таких як злиття нейтронних зірок і чорних дір. Ці просторово-часові коливання дозволяють вченим спостерігати гравітаційні ефекти в екстремальних умовах і досліджувати фундаментальні питання про Всесвіт і її історії. Нещодавно вчені зареєстрували рух масивного об'єкта - дзеркала детектора - під дією квантових ефектів. Але що це означає?

Завдяки роботі лабораторій LIGO VIRGO вченим вдалося виявити гравітаційні хвилі

Що таке квантовий шум?

Нещодавно фізикам вдалося виміряти зсув величезногодзеркала детектора LIGO, вага якого досягає сорока кілограмів. Нагадаємо, що в міжнародну дослідницьку групу LIGO входить близько 40 науково-дослідних інститутів, а над аналізом даних, що надходять з детектора та інших обсерваторій, трудяться понад 600 вчених. Основним завданням LIGO є виявлення і реєстрація гравітаційних хвиль космічного походження, які вперше були передбачені Альбертом Ейнштейном в Загальній теорії відносності (ЗТВ) в 1916 році.

Як показали результати дослідження, опублікованого в журналі Nature, 40-кілограмові дзеркала LIGO можуть рухатися у відповідь на крихітні квантові ефекти, звані квантовим шумом. У фізиці квантовий шум відноситься доневизначеності фізичної величини, що обумовлено його квантовим походженням. У загальному і цілому квантовий шум є одним з фундаментальних квантових законів: принципу невизначеності Гейзенберга, згідно з яким деякі фізичні величини не можуть одночасно мати абсолютно точні значення.

Поліпшення інструментів і приладів LIGO в майбутньому відкриє чимало таємниць Всесвіту

Ще більше цікавих статей про те, як влаштований Всесвіт навколо нас, читайте на нашому каналі в Яндекс.Дзен. Підписка дозволяє читати статті, яких немає на сайті.

Говорячи простими словами, деякі величинивиміряти неможливо, так як фізичні закони цього не дозволяють. На практиці це означає, що в даних будь-якого вимірювального приладу присутня квантовий шум, який настільки малий, що втрачається в більш потужних шуми, а ще його не можна усунути. Однак фізикам вдалося виміряти крихітний зрушення сорокакілограмовий дзеркала детектора LIGO. Щоб краще розуміти, що відбувається, уявіть, що зафіксований зсув в кілька разів менше атома водню. Але чому ця фіксована «квантова тремтіння» важлива для сучасної науки?

Як працює LIGO?

Так як принцип невизначеності Гейзенбергасвідчить, що з абсолютною точністю виміряти пару фізичних величин не можна, невизначеність, все ж, можна зменшити в одній з них, одночасно збільшивши в інший. Саме так і вчинили фізики в ході дослідження - вони зменшили квантовий шум і перевірили, чи не змінився загальний шум від усіх джерел і якщо так, то як. Для цього вони використовували спеціальний прилад, за допомогою якого вдалося виміряти внесок квантового шуму в зміщення дзеркал LIGO.

Це цікаво: П'ять фактів, які ми дізнаємося, якщо LIGO виявить злиття нейтронних зірок

Нагадаємо, що в ядрі детекторів LIGO знаходяться лазерні інтерферометри кілометрового масштабу, які вимірюють відстань між 40-кілограмовими підвісними дзеркалами з найкращого точністю, коли-небудь досягнутої. Безпрецедентний рівень чутливості LIGO досягається завдяки найсучаснішій техніці, необхідної для придушення вібраційних і теплових шумів в детекторах. Саме на таких рівнях чутливості в гру вступає квантова механіка: дослідники використовували тиск світла на дзеркала і кількість фотонів в лазерному промені. Важливе значення тут має положення дзеркал, так як тільки перша з двох величин надає на них вплив.

Проект LIGO був запропонований в 1992 році Кіпом Торном, Рональдом Древер з Каліфорнійського технологічного інституту і Райнером Вайссом з Массачусетського технологічного інституту.

Важливо розуміти, що закони квантової механіки лежать в основі сучасних технологій включаючи комп'ютер, смартфон і будь-який електроприлад. Ми знаємо, що квантові закони працюють.

Таким чином, дослідникам вдалося довести, що квантовий шум LIGO - це невизначеність у тиску світла. Та все це означає, що на полігоні LIGO фізики змогли заглянути нижче так званого стандартного квантового межі - межі, коли в вимірах використовуються тільки природні квантові стану.

В експерименті використовувався некласичний«Стислий світло», який зменшує квантові флуктуації лазерного поля. Всього кілька років тому цей тип квантового поведінки був би занадто слабкий, щоб його можна було спостерігати. Але нові методи вимірювання дозволяють розсунути горизонти фізики, а майбутні удосконалення і модернізація інструментів дозволять добитися поліпшеною чутливості вже наявних приладів. Це означає, що в майбутньому ми зможемо створювати гравітаційно-хвильові технології, які дозволять більш детально проникати в простір-час і відкривати запаморочливі таємниці Всесвіту. Так що нас з вами чекає низка цікавих наукових відкриттів.